[笨叔点滴2] 为啥子ARM32体系结构中每个处理模式都有一个单独的栈？

“ 各位小伙伴，我是小笨叔。笨叔尽量每天给大家分享一点点小东西，可能是笨笨的、傻傻的、甜甜的、酸酸的小点滴，记录这每一刻每一天的小感悟，就像小雨点一样，它会慢慢汇合到大江大海！”

上次提到LinuxCon大会，这种大会正如笨叔说的

“听君一席话，胜读十年书”

笨叔有幸在北京拜访了Linux社区里面一位老前辈，聆听他当年在80~90年代做CPU处理器体系结构和Linux操作系统的鲜为人知的历史和对人生和技术的感悟，让笨叔大受启发。

在闲谈中，他提到为什么ARM32的处理器需要7种处理器模式，而且每一种处理器模式都需要一个单独的栈空间？比如irq模式，为什么ARM32的设计里需要一个单独的irq模式，而且这个irq模式只有12个字节？为什么不和SVC模式公用一个栈呢？比如x86等传统经典的处理器架构里，是没有为irq单独开辟一个栈的。

这些是非常好的问题，引发了笨叔回到上海继续思考。本文抛砖引玉，希望有兴趣的小伙伴可以在文章后面留言发表您的观点。

01 ARM32上的设计

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我们来看一下ARM32上，如果发生了一个irq中断，ARM32处理器是怎么处理的？我们知道ARM32里面有一个奇葩的7个工作模式：

如上图所示，在ARMV6之前，ARM的处理器模式有7个。正常的内核是跑在SVC模式的，用户态app是跑在User模式，而其他几个就是我们常说的IRQ中断，FIQ中断和几个异常模式。如果对比x86的话，x86只有ring0 ~ ring3这4个特权级别，内核跑着ring 0里，而用户态跑在ring 3里，而没有区分SVC模式，IRQ模式等。

我们在看看ARMv7上改进。

抛开secure模式不谈，在non-secure即normal world来说，ARMv7在继续沿用7个模式的基础上又区分了PL0模式和PL1和PL2模式， PL是privilege level的意思。简单来说：

PL0模式：用户模式，等同于以前的USER模式
PL1操作系统模式：包含以前的SVC模式，IRQ模式，FIQ模式
PL2虚拟化模式：新增的模式，有点类似x86上虚拟化扩展的root模式

如果说ARM32的设计的合理的话，我们看看ARM v8里的设计。

ARMv8里面已经完全抛弃ARMv7之前的做法了，连名字都该了，现在叫做EL，也就是exception level，而且每一个EL级别的异常也变了。其中

名字改了之后，每个EL级别管辖的范围和权利就不一样了，是不是很像x86里面的ring0~ring3呢，谁叫你x86在PC和服务器上这么火呢？所以，x86上的优点，ARM当然要好好学习啦。

除了这个之外，还完全抛弃了SVC, IRQ, FIQ等等那7个模式了，这和ARMv7又有很多不同了。现在ARMv8上，异常分成两种：

同步异常：比如MMU的一些访问权限问题
异步异常：这个就大家常见的IRQ, FIQ, ERR

而且还有一点，ARMv8里面，不再为每个异常类型设置一个专门的栈，比如IRQ已经没有单独的栈了，现在的栈，只有每个EL才有栈。

02 ARM32中断栈

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ARM32发生中断之后，IRQ栈和SVC栈的情况如下：

上述这个图就是ARM32在Linux内核中，发生IRQ中，栈的变化情况，大家可以看《奔跑吧Linux内核》第621~626页。总的来说，IRQ模式下面的栈值保存了发生中断那个现场的SPSR, LR, SP_IRQ三个寄存器的内容。然后切换模式到SVC模式，进一步保存通用寄存器到SVC的栈空间里。所以在ARM32里，中断发生之后，其实是使用了两个模式的栈，一个是IRQ的栈，另外一个SVC模式的栈，这个SVC的栈，在Linux内核里其实就是内核栈。

那在X86里，是怎么样的呢？x86处理器里有一个TSS(Task State Segment)，当中断发生时，用户进程或者处于用户态（特权级3)或者处于内核态(特权级0)，如果是在用户态，那么会发生栈的切换问题，也就是会切换到内核态的栈，如果是在内核态，那么就没有栈切换的问题。但是x86处理器在特权级0上只有一个ESP,这意味着中断发生后，只能使用一个栈，这个栈就是内核栈(kernel stack)。处理器的硬件逻辑会将被中断进程的下条指令(CS,EIP)以及EFLAG压入栈，当然如果发生用户态栈向内核态栈的切换，处理器还会把用户态的(SS, ESP)也压入栈，此时使用的就是内核栈。这个行为属于处理器的硬件逻辑范畴，不是系统软件的行为。

另外一方面，现在Linux内核在x86或者其他体系结构里，已经支持内核栈和中断栈分离的方法了。当然，这里说的中断栈不是本文说的那个CPU内部的中断栈，而是和内核栈类似的一个栈，也就是在中断处理程序中，和SVC模式使用的内核栈分离。这是内核设计的问题了，总之，中断栈可与内核栈共享，也可重新分配一个独立的中断栈。但是负面因素是中断栈如果发生嵌套，可能破坏内核栈的一些数据，因为毕竟共享，所以栈空间有时候难免会捉襟见肘。所以在x86的Linux中，总是使用分离的内核栈设计。系统中每个进程都会拥有属于自己的内核栈，而系统中每个CPU都将为中断处理准备了两个独立的中断栈，分别是hardirq栈和softirq栈。注意，这是OS的设计问题，不是今天我们想讨论的CPU硬件设计上的中断栈分离。

下面是Linux内核里面x86架构使用分离的中断栈的补丁。

https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=7974891db234467eaf1fec613ec0129cb4ac2332

那为啥子ARM32要为IRQ模式设置单独一个12字节的栈呢，而不是复用SVC模式的栈呢？

笨叔翻阅了ARM相关的技术文档也没找到答案，我猜测可能是因为一个重要的原因是ARM32这个架构设计的时候是90年代，那个年代的ARM处理器是相当慢的，单独一个IRQ栈可以提高中断的响应速度，特别是早期的ARM处理器主要应用场景是嵌入式系统，支持中断嵌套的方式。从上面的x86的分离的中断栈的patch来看，分离的中断栈的确有不少优势，至少可以保证不会导致SVC模式的栈发生overflow。那究竟是ARM32这种设计先进呢还是ARMv8和x86的设计理念先进呢，是进步还是倒退呢？我有点confuse了！

笨叔抛砖引玉，希望感兴趣的同学可以在后面留言，大家一起讨论。

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